КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ РОТОР ДЛЯ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ Российский патент 2001 года по МПК H02K17/16 H02K17/22 H02K3/04 

Изобретение относится к короткозамкнутому ротору для асинхронной машины, содержащему закрепленный на валу и удерживаемый с обеих сторон прижимными кольцами пакет железа для размещения стержней беличьей клетки, каждый из которых за пределами пакета железа соединены с короткозамыкающим кольцом, опирающимся в радиальном направлении на установленное на валу опорное кольцо.

У быстро вращающихся асинхронных двигателей выступающие с обеих сторон из пакета железа концы стержней беличьей клетки и соединенные с ними короткозамыкающие кольца сильно нагреваются из-за больших центробежных сил и подвергаются опасности разрушения за счет неконтролируемых дисбалансов. Кроме того, любая набранная из стержней конструкция беличьей клетки имеет в зоне свободно лежащей обмотки (лобовой части обмотки) вибрацию в радиальном и окружном направлениях, которая, в частности, в тяговых двигателях может привести к вредным резонансным колебаниям, поскольку в большинстве случаев не удается выделить собственные частоты из частот возбуждения, например, в передачах (зубья шестерен).

Для управления центробежными силами в зоне короткозамыкающих колец асинхронной машины в течение многих лет используют усадочные кольца, надеваемые на короткозамыкающее кольцо. Усадочное кольцо служит лишь для механического предохранения от изгиба. Вся конструкция по-прежнему остается вибрирующей.

В известном из DE 2721211 А1 короткозамкнутом роторе каждое короткозамыкающее кольцо зафиксировано установленным на валу центрирующим кольцом. Оно прилегает своей внутренней стороной с аксиальным прижимом к соседним торцам стержней беличьей клетки. При этом свободная часть внутреннего торца центрирующего кольца имеет кольцеобразную выемку, к ее боковой поверхности на расстоянии от торца кольцевого паза прилегает наружная кольцевая поверхность осевого выступа короткозамыкающего кольца, внутренняя кольцевая поверхность которого охватывает вал с радиальным зазором.

Известная конструкция обладает хорошими демпфирующими свойствами в отношении вынужденных и резонансных колебаний, однако, в сущности, подходит только к двигателям малой мощности с небольшим диаметром ротора, поскольку сравнительно массивное центрирующее кольцо ухудшает охлаждение ротора, в частности, оптимальное смывание воздухом лобовой части беличьей клетки.

Другой путь повышения жесткости лобовой части беличьей клетки асинхронной машины против крутящих колебаний описан в DE 4233474 С2. Здесь аксиально выступающие на торце стержни беличьей клетки разделены в концевой зоне с образованием отдельных, радиально лежащих друг на друге концов, и соответствующие одному пазу концы стержней отогнуты по касательной навстречу друг другу. Эта конструкция очень сложна и способна повлиять на радиальную жесткость лобовой части обмотки лишь в сравнительно небольшой степени.

В основу изобретения положена задача создать короткозамкнутый ротор для асинхронных машин, лобовая часть беличьей клетки которого была бы связана по всему диапазону частот вращения машины с телом ротора таким образом, чтобы не возникали собственные колебания или возникали только демпфированные собственные колебания.

Эта задача решается с помощью предложенного короткозамкнутого ротора для асинхронной машины, содержащего закрепленный на валу и удерживаемый с обеих сторон прижимными кольцами пакет железа для размещения стержней беличьей клетки, каждый из которых за пределами пакета железа соединен с короткозамыкающим кольцом, опирающимся в радиальном направлении на установленное на валу опорное кольцо. Согласно изобретению оба прижимных кольца аксиально дистанцированы от пакета железа и одновременно образуют опорное кольцо для короткозамыкающего кольца, при этом между торцом пакета железа и опорным кольцом предусмотрены радиальные ребра, выполненные, преимущественно, заодно целое с опорным кольцом.

В короткозамкнутом роторе по изобретению короткозамыкающее кольцо прилегает своей внутренней боковой поверхностью непосредственно или на отдельных отрезках через упругий элемент к наружной боковой поверхности опорного кольца и прижато к нему усадочным кольцом, охватывающим короткозамыкающее кольцо.

Причем короткозамыкающее кольцо прилегает к опорному кольцу всей своей внутренней боковой поверхностью.

В короткозамкнутом роторе по изобретению на наружной боковой поверхности опорного кольца и/или на внутренней боковой поверхности короткозамыкающего кольца выполнен паз, в который вложен упругий элемент, преимущественно, гофрированная пружина.

В соответствии с изобретением короткозамыкающее кольцо может быть снабжено на своей внутренней боковой поверхности выемками в трех или более отрезках, равномерно распределенных по ней.

В свою очередь короткозамыкающее кольцо может быть снабжено на своей внутренней боковой поверхности утолщениями в трех или более отрезках, равномерно распределенных по ней.

В короткозамкнутом роторе по изобретению опорное кольцо может быть снабжено на наружной боковой поверхности направленным аксиально наружу выступом, который входит в кольцевой паз на обращенном к пакету железа торце короткозамыкающего кольца.

При этом направленный аксиально наружу выступ на опорном кольце прилегает своей боковой поверхностью со стороны вала к стенке паза со стороны вала, а, при необходимости, входит в кольцевой паз на короткозамыкающем кольце даже с геометрическим замыканием.

Между боковой поверхностью выступа со стороны вала и близкой к валу стенкой паза целесообразно разместить упругий элемент, преимущественно, гофрированную пружину.

Преимущество изобретения следует усматривать, в частности, в том, что лобовая часть беличьей клетки по всему диапазону частот вращения машины связана, уже начиная с небольших частот вращения, с телом ротора таким образом, что не возникает собственных колебаний или возникают только демпфированные собственные колебания. Решение согласно изобретению учитывает в то же время изменения величины короткозамкнутой беличьей клетки, возникающие вследствие центробежной силы и теплового расширения материала беличьей клетки относительно тела ротора.

Далее сущность изобретения более подробно поясняется описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан вариант выполнения изобретения в виде продольного разреза концевой части короткозамкнутого ротора, опирающегося в основном на усадочное кольцо;
на фиг. 2 - сечение по плоскости А-А концевой части короткозамкнутого ротора на высоте прижимного кольца, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 3 - первый вариант выполнения короткозамкнутого ротора согласно изобретению по фиг.1 с упругим элементом между короткозамыкающим и опорным кольцами;
на фиг. 4 - второй вариант выполнения короткозамкнутого ротора согласно изобретению, короткозамыкающее кольцо которого снабжено выемками;
на фиг. 5 - вид сверху на торец короткозамкнутого ротора по фиг. 4;
на фиг. 6 - третий вариант выполнения короткозамкнутого ротора по изобретению с опорным кольцом, входящим в паз короткозамыкающего кольца, и упругим элементом.

На валу 1 обычным образом закреплен пакет 2 железа, имеющий на наружной периферии аксиально проходящие пазы с уложенными в них стержнями 3 беличьей клетки, которые зафиксированы в радиальном направлении от воздействия центробежной силы. Стержни 3 выступают за торец пакета 2 железа и соединены с короткозамыкающим кольцом 4, заметно отстоящим от торца пакета 2 железа. Выступающие концы стержней 3 и короткозамыкающее кольцо 4 образуют так называемую лобовую часть обмотки.

Концы стержней 3 выполнены сужающимися в радиальном направлении. На короткозамыкающее кольцо 4 надето усадочное кольцо 5. В кольцевом пространстве между валом 1 и короткозамыкающим кольцом 4 расположено опорное кольцо 6, прочно соединенное с валом 1, например, посредством термоусадки и всей своей наружной боковой поверхностью прилегающее к внутренней боковой поверхности короткозамыкающего кольца 4. Опорное кольцо 6 удалено от торца пакета 2 железа и с этой целью снабжено на своей обращенной к нему стороне множеством радиальных ребер 7, которые служат для дистанцирования от торца пакета 2 железа и прижимными пальцами для него. Таким образом, опорное кольцо 6 выполняет одновременно функцию прижимного кольца для пакета 2 железа. Фиксация опорного кольца б в осевом направлении осуществляется так, как это описано в упомянутой выше DE 2721211 А1.

При охлаждении усадочного кольца 5 усилие усадки действует сначала на короткозамыкающее кольцо 4, а затем - на опорное кольцо 6. В результате усадочное кольцо 5, окружающее короткозамыкающее кольцо 4, прижимает его к опорному кольцу 6. Натяжение усадочного кольца 5 рассчитано при этом так, что ни в каком режиме эксплуатации машины не происходит прерывания фрикционного замыкания между внутренней боковой поверхностью короткозамыкающего кольца 4 и наружной боковой поверхностью опорного кольца 6.

Как хорошо видно на фиг. 1, описанная опорная конструкция лишь незначительно препятствует вентиляции электрически высоконагруженной лобовой части беличьей клетки. Охлаждающий воздух может практически беспрепятственно протекать из осевых отверстий 8 в пакете 2 железа через промежутки между ребрами 7 радиально наружу. В случае необходимости также в опорном кольце 6 могут быть предусмотрены сквозные отверстия 9, которые находятся между двумя соседними ребрами 7, однако необязательно они должны быть соосны с отверстиями 8 для охлаждающего воздуха.

В изображенном на фиг. 3 варианте выполнения короткозамкнутого ротора 4 связи коротокозамыкающего кольца 4 с опорным кольцом 6 способствует упругий элемент 10, например гофрированная пружина. Она частично прилегает к огибающей выемке на наружной боковой поверхности опорного кольца 6, а частично - к внутренней боковой поверхности короткозамыкающего кольца 4. Аналогично варианту выполнения на фиг. 1 короткозамыкающее кольцо 4 и опорное кольцо 6 опираются непосредственно друг на друга. Гофрированная пружина 10 обеспечивает при этом связь на тот случай, если все же произойдет прерывание фрикционного замыкания.

В варианте выполнения на фиг. 4 и 5 фрикционное замыкание и тем самым связь между короткозамыкающим 4 и опорным 6 кольцами обеспечиваются за счет особого выполнения короткозамыкающего кольца. Вместо короткозамыкающего кольца с равномерным сечением в окружном направлении используемое здесь короткозамыкающее кольцо 4 имеет в окружном направлении намеренную анизотропию. Эта анизотропия достигается тем, что, например, на трех или более отрезках короткозамыкающего кольца 4 предусмотрены выемки 11, которые равномерно расположены по его внутренней боковой поверхности и проходят приблизительно в пределах угла 60-90^o. В зоне 12 утолщений между выемками 11 короткозамыкающее кольцо 4 прилегает к опорному кольцу 6 практически всей своей шириной, а в зоне выемок 11 - напротив, приблизительно только половиной своей первоначальной ширины. Эта анизотропия вызывает при работе машины изменение формы под действием центробежной силы короткозамыкающего 4 и усадочного 5 колец, что показано на фиг. 5 штриховой линией в увеличенном виде. Эти изменения формы вызывают усилия в радиальном направлении, которые обозначены на фиг. 5 стрелками и усиливают связь посредством фрикционного замыкания в зонах 12 утолщений.

Описанная анизотропия может быть само собой достигнута за счет того, что вместо выемок 11 могут быть предусмотрены распределенные по внутренней боковой поверхности короткозамыкающего кольца 4 утолщения, не показанные на фиг. 4 и 5.

Не выходя за рамки изобретения, у паяных беличьих клеток из легированного проводящего материала с высокой прочностью связь короткозамыкающего кольца с опорным кольцом может осуществляться таким образом, что опорное кольцо 6' имеет на наружной стороне направленный аксиально наружу выступ 13 (фиг. 6), который входит в кольцевой паз 14 на обращенном к пакету 2 железа торце короткозамыкающего кольца 4'. Согласно первому варианту осевой выступ 13 на опорном кольце 6' прилегает своей боковой поверхностью со стороны вала к стенке паза со стороны вала. В крайнем случае он может входить в паз 14 короткозамыкающего кольца 4' даже с геометрическим замыканием. Это создает связь, прогрессивно усиливающуюся по мере нагревания и увеличения частоты вращения. Для того, чтобы поддерживать нагрузку выступа 13 на опорном кольце 6' в определенных пределах, предпочтительно расположить между внутренней боковой поверхностью выступа 13 и близкой к валу 1 стенкой паза упругий элемент, преимущественно, гофрированную пружину 15.

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к особенностям конструктивного выполнения короткозамкнутых роторов для электрических машин. Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, состоит в создании ротора электрических машин, лобовая часть короткозамкнутой обмотки - беличьей клетки которого связана по всему диапазону частот вращения машины с телом ротора таким образом, что не возникает собственных колебаний или возникают только дифференциальные собственные колебания. Технический результат достигается за счет того, что в короткозамкнутом роторе, содержащем закрепленный на валу и удерживаемый с обеих сторон прижимными кольцами пакет железа для размещения стержней беличьей клетки, каждый из которых за пределами пакета железа соединен с короткозамыкающим кольцом, опирающимся в радиальном направлении на установленное на валу опорное кольцо, согласно изобретению оба прижимных кольца аксиально дистанцированы от пакета железа и одновременно образуют опорное кольцо, между которым и пакетом железа предусмотрены радиальные ребра, выполненные, преимущественно, за одно целое с опорным кольцом. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Короткозамкнутый ротор для асинхронной машины, содержащий закрепленный на валу и удерживаемый с обеих сторон прижимными кольцами пакет (2) железа для размещения стержней (3) беличьей клетки, каждый из которых за пределами пакета (2) железа соединен с короткозамыкающим кольцом (4, 4'), опирающимся в радиальном направлении на установленное на валу (1) опорное кольцо (6, 6'), отличающийся тем, что оба прижимных кольца аксиально дистанцированы от пакета (2) железа и одновременно образуют опорное кольцо (6, 6') для короткозамыкающего кольца (4, 4'), при этом между торцом пакета (2) железа и опорным кольцом (6, 6') предусмотрены радиальные ребра (7), выполненные, преимущественно, за одно целое с опорным кольцом (6, 6'). 2. Короткозамкнутый ротор по п.1, отличающийся тем, что короткозамыкающее кольцо (4, 4') прилегает своей внутренней боковой поверхностью непосредственно или на отдельных отрезках через упругий элемент (10) к наружной боковой поверхности опорного кольца (6, 6') и прижато к нему усадочным кольцом (5), охватывающим короткозамыкающее кольцо (4, 4'). 3. Короткозамкнутый ротор по п.1, отличающийся тем, что короткозамыкающее кольцо (4, 4') прилегает к опорному кольцу (6, 6') всей своей внутренней боковой поверхностью. 4. Короткозамкнутый ротор по п.2, отличающийся тем, что на наружной боковой поверхности опорного кольца (6, 6') и/или на внутренней боковой поверхности короткозамыкающего кольца (4, 4') выполнен паз, в который вложен упругий элемент (10), преимущественно гофрированная пружина. 5. Короткозамкнутый ротор по п.2, отличающийся тем, что короткозамыкающее кольцо (4, 4') снабжено на своей внутренней боковой поверхности выемками (11) в трех или более отрезках, равномерно распределенных по ней. 6. Короткозамкнутый ротор по п.2, отличающийся тем, что короткозамыкающее кольцо (4, 4') снабжено на своей внутренней боковой поверхности утолщениями в трех или более отрезках, равномерно распределенных по ней. 7. Короткозамкнутый ротор по п.1, отличающийся тем, что опорное кольцо (6, 6') снабжено на наружной боковой поверхности направленным аксиально наружу выступом (13), который входит в кольцевой паз (14) на обращенном к пакету (2) железа торце короткозамыкающего кольца (4, 4'). 8. Короткозамкнутый ротор по п.7, отличающийся тем, что направленный аксиально наружу выступ (13) на опорном кольце (6, 6') прилегает своей боковой поверхностью со стороны вала к стенке паза со стороны вала, а при необходимости входит в кольцевой паз (14) на короткозамыкающем кольце (4, 4') даже с геометрическим замыканием. 9. Короткозамкнутый ротор по п.7, отличающийся тем, что между боковой поверхностью выступа (13) со стороны вала и близкой к валу стенкой паза вложен упругий элемент (10), преимущественно гофрированная пружина.